(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物までの距離を感知するエアゲージであって、
ガスを供給するガス供給システムと、
前記ガス供給システムに結合されたノズルであって、前記ガスを前記ガス供給システムから前記ノズルと前記対象物との間に規定された空間へと供給するノズルと、
を備え、
前記ガス供給システムが、前記ノズルと前記対象物との間の前記空間内に、層流と乱流との間の遷移領域における流れに対応する流量で前記ガスを供給し、
前記ノズルが、前記ガスを前記ノズルと前記対象物の間の前記空間に供給するためのオリフィスが設けられた出力面を備え、
前記出力面が、前記オリフィスから前記出力面の縁部へと外向きの方向で前記出力面の摩擦係数を増加させるように構成された表面凹凸を備える、
エアゲージ。
【請求項２】
前記ノズルの前記出力面上の前記表面凹凸が、（１）前記出力面に形成された同心円リング、（２）前記出力面から突出する同心円リング、（３）前記出力面上の複数の半球形窪み又は複数の半球形突起のうち少なくとも一方、のいずれかを含む、
請求項１に記載のエアゲージ。
【請求項３】
さらに、前記ノズル内に配置されたノイズ減衰器を備える、
請求項１又は２に記載のエアゲージ。
【請求項４】
前記ノイズ減衰器が、前記ノズルの前記出力面又は内壁に配置されたヘルムホルツ共振器であり、
前記ヘルムホルツ共振器の前記表面が、前記表面の摩擦係数を増加させる表面凹凸を有する、
請求項３に記載のエアゲージ。
【請求項５】
ノズルから対象物までの距離を感知する方法であって、
前記ノズルの測定範囲内に前記対象物を設けること、
前記ノズルと前記対象物との間の空間にガスを供給すること、
を含み、
前記ガスが、層流と乱流の間の遷移領域の流れに対応する流量で前記空間に供給され、
ガス供給が、前記ガスを前記空間に供給するためのオリフィスを設けた前記ノズルの出力面の表面凹凸に前記ガスを供給することを含み、
前記表面凹凸が摩擦係数を増加させることによって、前記オリフィスから前記出力面の縁部への外向きの方向で前記出力面に沿って圧力低下を増加させる、
方法。
【請求項６】
ガス供給がさらに、
前記エアゲージのノズルの前記出力面に前記ガスを供給することを含み、前記出力面が、（１）前記出力面に形成された同心円リング、（２）前記出力面から突出する同心円リング、及び（３）前記出力面の複数の半球形窪み又は複数の半球形突起のうち少なくとも一方、のいずれかを有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記エアゲージによって発生したノイズを前記ノズル内で減衰することを含み、
ノイズの減衰が、前記ノズルの出力面又は内壁に配置されたヘルムホルツ共振器を使用してノイズを減衰することを含み、
ノイズの減衰がさらに、
（１）戦略的なエアゲージの流れの曲がり角に配置された少なくとも１つの緩衝器と、前記ノズルの前記出力面に配置されたヘルムホルツ共振器とを組み合わせて使用してノイズを減衰すること、又は
（２）ヘルムホルツ共振器表面の摩擦係数を増加させる表面凹凸を有するヘルムホルツ共振器を使用してノイズを減衰すること、
を含む、
請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記遷移領域が、レイノルズ数が増加するにつれて摩擦係数が他の領域よりも大きく変化する領域である、
請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本発明は、非常に小さい距離を検出する装置及び方法に、特に近接覚に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  自動化した多くの製造プロセスは、製造ツールと加工中の製品又は材料の表面との間の距離を感知する必要がある。半導体リソグラフィなどの幾つかの状況では、この距離を、数ナノメートルに近づく正確度で測定しなければならない。
【０００３】
[0003]  このような正確度の近接覚センサの生成に伴う難問は、特にリソグラフィシステムの状況で重大である。この状況では、非侵入的であり、非常に小さい距離を精密に検出する能力を有すること以外に、近接覚センサは、汚染物質を導入したり、微小な温度変化を引き起こしたり、通常は半導体ウェーハである加工表面に接触したりすることができない。このような状況が発生すると、半導体の品質を大幅に低下させるか、損なってしまうことがある。
【０００４】
[0004]  非常に小さい距離を測定するために、様々なタイプの近接覚センサが入手可能である。近接覚センサの例は、キャパシタンス及び光学ゲージを含む。これらの近接覚センサは、リソグラフィシステムで使用する場合に深刻な欠点を有する。というのは、ウェーハに付着する材料の物理的特性が、これらのデバイスの精度に影響するからである。例えば、キャパシタンスゲージは、電荷の濃度に依存し、１タイプの材料（例えば金属）が集中している位置では、偽の近接値を生じることがある。新種のウェーハが、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）及びリン化インジウム（ＩｎＰ）などの非導電性及び／又は感光性材料で作成されるか、その付着物を含む場合は、別のクラスの問題が発生する。これらの場合、キャパシタンス及び光学ゲージが、偽の結果を提供することがある。
【０００５】
[0005]  エアゲージセンサは通常、脱水して濾過した空気流を表面（例えばシリコンウェーハ）上に放出し、次にその背圧を測定し、測定ノズルとその表面との間の距離を割り出す。より感度が高いエアゲージセンサは、基準表面及び測定表面上に空気流を放出する基準及び測定ノズルの両方を使用して、表面距離を割り出す。エアゲージセンサは、電荷の濃度にも、ウェーハ表面の電気、光学及び他の物理的特性にも脆弱でない。しかし、現在の半導体製造技術では、近接性をナノメートルのオーダの高精度で測定する必要がある。残念ながら初期のエアゲージセンサは、今日のリソグラフィの精度要件を満たさないものが多い。ナノメートルの再現性及び位置合わせ正確度に関する今日の要件は、全体的に産業界で現在獲得可能な要件よりもさらに厳格である。また、以前のデバイスは、特定の温度範囲全体での寸法安定性に対する今日の要求を満たしていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0006]  必要とされているのは、寸法安定性も呈するガスゲージ近接覚センサによって、精確なナノメートル規模の測定を提供するシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]  従来のエアゲージは、層流相による流量で作動する。本発明の実施形態によるガスゲージは、層流と乱流の間の遷移領域における流れに相当する流量で作動する。遷移領域は、約２１００と５１００の間のレイノルズ数を有する流れを含む。
【０００８】
[0008]  従来の相では、ノズル面の表面における圧力低下は、その表面の摩擦係数がレイノルズ数の増加とともに増加するにつれて増大する。表面摩擦係数値は２つの表面、つまりノズル面及び測定表面に基づく。シリコンウェーハの測定表面とは干渉できないが、ノズル面の表面を粗くして、ノズル表面の摩擦係数を効果的に増加させることができる。表面は、例えばノズル面を様々な「砂粗さ」までショットブラストする、ノズル面に粗い酸化被膜を火炎溶射する、ノズル面に円形の同心円リングを機械加工するか、それを突出させる、多数の小さい半球形窪みを、その配置構成を互い違いにしながら、ノズル面に又はノズル面から機械加工する、及び／又は数十の互い違いのピンをノズル面に導入することによって粗くすることができるが、それに制限されない。ノズル面の表面積及びその粗さは、エアゲージの圧力低下を遷移流相にて扱う際に重要である。
【０００９】
[0009]  流量増加によって発生するノイズは、１つ又は複数のヘルムホルツ減衰器を使用することによって減衰することができる。
【００１０】
[0010]  本発明のさらなる実施形態、特徴及び利点、さらに本発明に関するこれらの様々な実施形態の構造及び動作について、添付図面を参照しながら、以下で詳細に説明する。
【００１１】
[0011]  本発明を添付図面に関して説明する。図面では、同様の参照番号は同一の、又は機能的に同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
[0022]  本明細書では、本発明を特定の用途の例示的実施形態について説明するが、本発明がそれに制限されないことを理解されたい。本明細書で提供される教示に接した当業者には、本発明が非常に有用な範囲及び追加の分野内で、追加の変形、用途及び実施形態が認識される。
【００１３】
[0023]  図１は、ガスゲージ近接覚センサ１００の線図を提供する。ガスゲージ近接覚センサ１００は、本発明の１つ又は複数の実施形態を通して改善できる１タイプの近接覚センサであり、本発明の範囲を制限するものではない。ガスゲージ近接覚センサ１００はガス圧力調整器１０５、質量流量制御装置１０６、中心流路１１２、測定流路１１６、基準流路１１８、緩衝器１２０、緩衝器１２２、測定プローブ１２８、基準プローブ１３０、ブリッジ流路１３６及び質量流量センサ１３８を含む。ガス供給部１０２が、ガスを所望の圧力でガスゲージ近接覚センサ１００内に噴射する。
【００１４】
[0024]  中心流路１１２は、ガス供給部１２０をガス圧力調整器１０５及び質量流量制御装置１０６に接続し、次に接合部１１４で終了する。ガス圧力調整器１０５及び質量流量制御装置１０６は、ガスゲージ近接覚センサ１００内で一定の流量を維持する。
【００１５】
[0025]  ガスは、流路１１２に取り付けられたアキュムレータ１０８で、質量流量制御装置１０６から流路１１２へと強制的に入る。幾つかの状況では、質量流量制御装置１０６と接合部１１４の間に緩衝器を配置することができる。センサ１００は、接合部１１４の分流部の各脚部に配置された２つの緩衝器１２０及び１２２を有する。緩衝器は、ガス供給部１０２によって導入されたガスの乱流を、したがってノイズを減少させ、抵抗要素としても作用する。他の実施形態では、オリフィスなどの他のタイプの抵抗要素を使用することができるが、オリフィスは乱流を減少させない。
【００１６】
[0026]  ガスは、質量流量制御装置１０６を出ると、中心流路１１２を接合部１１４へと移動する。中心流路１１２は接合部１１４で終了し、測定流路１１６と基準流路１１８とに分割する。質量流量制御装置１０６は、十分に少ない流量でガスを噴射して、システム全体に層流及び非圧縮性流体流れを提供し、これは望ましくない空気ノイズの生成を最小限に抑える。同様に、システムの幾何形状はほぼ、質量流量制御装置１０６によって確立された層流特性を維持するようなサイズにすることができる。
【００１７】
[0027]  ブリッジ流路１３６は、測定流路１１６と基準流路１１８の間に結合される。ブリッジ流路１３６は、接合部１２４で測定流路１１６に接続する。ブリッジ流路１３６は、接合部１２６で基準流路１１８に接続する。一例では、接合部１１４と接合部１２４の間の距離と、接合部１１４と接合部１２６の間の距離とは等しく、これは流れの対称性及びガスゲージの性能に役立つ。
【００１８】
[0028]  ガスゲージ近接覚センサ１００内の全ての流路は、それを通ってガスが流れることができる。流路１１２、１１６、１１８及び１３６は、導管（管、パイプなど）、又はセンサ１００を通るガスの流れを封じ込め、案内することができる任意の他のタイプの構造で構成することができる。流路は例えば局所的乱流又は流れの不安定性を生じることによって、空気ノイズを導入するような急な曲がり、凸凹又は不必要な障害を有さないことが望ましい。測定流路１１６と基準流路１１８の全長が等しいか、他の例では等しくなくてよい。しかし、対称性を失うと、センサ１００の性能を妨げ、追加の流れ補正率を必要とすることがある。
【００１９】
[0029]  基準流路１１８は基準ノズル１３０内で終了する。同様に、測定流路１１６は測定ノズル１２８内で終了する。基準ノズル１３０は基準表面１３４上に配置される。測定ノズル１２８は測定表面１３２上に配置される。リソグラフィの状況では、測定表面１３２は、基板、半導体ウェーハ、ウェーハを支持するステージ、フラットパネルディスプレイ、ガラス基板、印刷ヘッド、マイクロ又はナノ流体装置などであることが多い。基準表面１３４は平坦な金属板でよいが、この例に制限されない。ガス供給部１０２によって噴射されたガスは、各ノズル１２８、１３０から放出され、測定表面１３２及び基準表面１３４に衝突する。上述したように、ノズルと対応する測定又は基準表面との間の距離をスタンドオフと呼ぶ。
【００２０】
[0030]  １つの実施形態では、基準ノズル１３０は、既知の基準スタンドオフ１４２がある状態で、固定された基準表面１３４の上方に配置される。測定ノズル１２８は、未知の測定スタンドオフ１４０がある状態で、測定表面１３２の上方に配置される。既知の基準スタンドオフ１４２は、最適なスタンドオフを表す所望の一定の値に設定される。このような構成で、測定ノズル１２８の上流の背圧は、未知の測定スタンドオフ１４０の関数であり、基準ノズル１３０の上流の背圧は、既知の基準スタンドオフ１４２の関数である。スタンドオフ１４０と１４２が等しい場合、この構成は対称であり、ブリッジは釣り合っている。その結果、ブリッジ流路１３６を通るガスの流れはない。他方で、測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２が異なる場合、その結果生じる測定流路１１６と基準流路１１８の間の圧力差は、質量流量センサ１３８を通るガスの流れを誘発する。
【００２１】
[0031]  質量流量センサ１３８は、ブリッジ流路１３６に沿って例えば中心位置に配置される。質量流量センサ１３６は、測定流路１１６と基準流路１１８の間の圧力差によって誘発されたガスの流れを感知する。これらの圧力差は、測定表面１３２の垂直位置が変化した結果として生じる。対称のブリッジの場合、測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２が等しい場合、スタンドオフは、表面１３２、１３４と比較して、ノズル１２８、１３０の両方で同じである。質量流量センサ１３８は、測定流路と基準流路の間に圧力差がないので、質量流量を検出しない。測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２とに差があると、測定流路１１６と基準流路１１８との圧力に差が生じる。非対称の構成には、適切なオフセットを導入することができる。
【００２２】
[0032]  質量流量センサ１３８は、圧力差又は不均衡によって導入されたガス流を感知する。圧力差はガスの流れを引き起こし、その流量は、測定スタンドオフ１４０の一意の関数である。つまり、ガスゲージ１００に入る流量が一定であるとすると、測定流路１１６と基準流路１１８のガス圧力の差は、スタンドオフ１４０と１４２の大きさの差の関数である。基準スタンドオフ１４２が既知のスタンドオフに設定されると、測定流路１１６と基準流路１１８のガス圧力の差は、測定スタンドオフ１４０（つまり測定表面１３２と測定ノズル１２８の間の未知のスタンドオフ）のサイズの関数である。
【００２３】
[0033]  質量流量センサ１３８は、ブリッジ流路１３６を通るどの方向のガス流も検出する。ブリッジの構成のせいで、流路１１６と１１８の間に圧力差が生じた場合のみ、ブリッジ流路１３６を通るガスの流れが生じる。圧力の不均衡が存在すると、質量流量センサ１３８がその結果のガス流を検出し、適切な制御機能を開始することができる。質量流量センサ１３８は、視覚的ディスプレイ、音響表示、コンピュータ制御のシステム又は他の信号発生手段を通して、感知した流れの表示を提供することができる。あるいは、質量流量センサの代わりに、差圧センサを使用することができる。差圧センサは、２つの流路間の圧力差を測定し、これは測定スタンドオフと基準スタンドオフ間の差の関数である。
【００２４】
[0034]  近接覚センサ１００は、本発明の１つ又は複数の実施形態から恩恵を受けることができるノズルを有するデバイスの一例として提供されている。本発明のこれらの例示的実施形態は、近接覚センサ１００のみと使用することに制限されるものではない。むしろ、本発明の例示的実施形態は、他のタイプの近接覚センサを改善するために使用することができる。
【００２５】
[0035]  図２は、例示的測定ノズル２０２のさらなる詳細を示す図である。ノズル２０２は、例えば図１の測定ノズル１２８と同様でよい。図２では、ノズル２０２は対象物又は測定表面２０４に近接している。ノズル２０２は、実質的に表面２０４と平行であるノズル面２０６を有する。ノズル面１０６は、表面２０４から距離２０８だけ離間されている。ガスは通常、オリフィス２１０を通ってｚ方向にノズルから流出し、次にノズル面２０６と表面２０４の間を半径方向外側に流れる。ノズル面２０６でのガスの圧力低下は、距離２０８の高さを表す。
【００２６】
流量の性能への効果
[0036]  以上で示したように、測定ノズルと測定表面の間の距離（例えば図２のノズル面２０６と表面２０４間の距離２０８）は、安定した流量でガスの流れを出力し、ノズル面２０６のガス流れの圧力低下（背圧とも呼ばれる）を測定することによって割り出すことができる。性能を改善するために、局所圧力低下とギャップ高さとの相関を上げる。任意のガス流量及びギャップ高さについて、圧力低下を、ノズル面の摩擦係数にノズル面の半径方向長さを掛けた値に関連づけることができる。
【００２７】
[0037]  以前のゲージは、「層流」領域のガス流量で作動していた。このような流量は、これらのシステムが必要とする測定レベルには十分であった。しかし、これらの層流ガスゲージは、ナノメートル範囲で距離を正確に測定するほど十分に感度が高くない。ナノメートルレベルの測定感度を有するようにゲージの性能を向上させるには、ゲージの利得を向上させねばならない。利得を向上させるには、測定表面からのノズル高さの単位変化当たりのノズル圧力低下を改善しなければならない。
【００２８】
[0038]  ノズル面での摩擦係数を増加させると、測定表面での圧力低下が増大する。しかし、この圧力低下のシナリオの物理的性質は、層流領域ではなく「遷移流」領域の局所レイノルズ数を有するノズル表面でしか作用しない。レイノルズ数（Ｒｅ）は以下のように計算される。
【数１】
0005155031.tif 000002
ここでρはガスの密度、Ｖはノズル面上でのガスの半径方向速度、Ｄは流れの局所的な特徴的寸法（ガスゲージのノズルでは、式２の複素幾何関係式によって規定されたノズルの直径である）、μはガスの粘度である。
【００２９】
[0039]  図３は、横軸にレイノルズ数、縦軸に摩擦係数を示す対数グラフである。図３は通常、「ムーディのプロット」と呼ばれる。ムーディのプロットに関するさらなる説明は、例えばL.F. Moodyの「Friction Factors for Pipe Flow」（ASME Trans.、６６巻６７１〜６８４ページ、１９４４年）で見ることができ、これは参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【００３０】
[0040]  以前のガスゲージは、約２００〜３００のレイノルズ数を有する流量で作動していた。図３に示すように、このような流量は層流領域内にある。層流領域は曲線３０２によって規定される。約２１００のレイノルズ数で、ガス流量は層流領域から遷移流領域へと変化し始める。遷移流領域は曲線３０４によって規定される。レイノルズ数が増加するにつれ、流量は曲線３０６によって規定される完全な乱流へと切り替わり始まる。レイノルズ数の増加は通常、層流相内で作動している場合に回避される。というのは、ノズルの摩擦係数を低下させ、それによってゲージから入手可能な利得を減少させるからである。しかし、レイノルズ数が層流相を過ぎて遷移流相まで増加すると、レイノルズ数が増加するにつれ、摩擦係数が増加し始める。
【００３１】
[0041]  遷移領域で作動するノズルの流れ場は、層流領域で作動している従来のノズルのそれと摩擦性能が逆であり、後者はレイノルズ数が増加するにつれて摩擦係数がゆっくり低下する。このような摩擦の低下の感度は、図３の曲線３０２と３０４の勾配の差によって測定される。摩擦流のハーゲン・ポアズイユの法則に従う曲線３０２は、約ｍ1＝−１．０の勾配を有し、曲線３０４は約ｍ2＝＋１．３９の勾配を有する。曲線３０４の勾配の記号は、摩擦反転の影響を表すが、重要なのは曲線３０４の方が約３９％急な勾配を呈することである。層流領域から遷移流領域への変化は、速度プロフィールが変化する流路の流れを物理的に示唆する。速度プロフィールは、放物線状の速度分布から修正され、切れた双曲線の速度分布に変化する。遷移流領域内の摩擦はノズルの流れの圧力低下に影響する。というのは、曲線３０４の勾配が正方向に急であることによって見られるように、このゾーン内で摩擦係数が最も劇的に変化するからである。これによってレイノルズ数が増加する結果、板からノズル距離への関連する圧力低下の感度が上昇し、ギャップ高さの測定でさらなる応答性相対利得を生じる。
【００３２】
[0042]  式１に見られるように、レイノルズ数は、使用ガスの密度、ノズル面上でのガスの半径方向速度、ノズルの複雑な特徴的直径、及び使用ガスの速度に依存する。遷移流ノズルに、層流ノズルで使用したものと同じガス（例えば空気など）を使用すると、ガスの密度及び速度を変化させることができない。レイノルズ数を増加させる方法は、ノズルを通るガスの速度を上げるか、ノズルの特徴的直径を増加させるしかない。
【００３３】
[0043]  ノズルの直径を増加させることは本質的に困難であるので、本発明の実施形態では、ノズルを通るガスの速度（流量とも呼ばれる）を上げることによって、レイノルズ数を増加させる。従来の層流ゲージは通常、約１０００ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル／分）のガス体積流量を呈する。流量のみを変化させながら、レイノルズ数を、約２１００のレイノルズ数を有する遷移流相まで増加させると、約６８００ｓｃｃｍの流量になる。
【００３４】
[0044]  図４は、様々なガス流量について、図２のノズル面２０６でオリフィス２１０から半径方向外側に延在する様々な位置におけるレイノルズ数の例示的変化を示す。横軸には、半径方向の測定位置がｍｍ単位で図示され、縦軸には、ノズル面と測定表面との間のギャップにおけるガス流のレイノルズ数が図示されている。半径方向の位置の増加に伴うレイノルズ数の変化は、２つの事象、つまり１）局所的レイノルズ数とともに変化する局所的摩擦係数によるノズル表面でのガスの圧力低下の変化、及び２）半径方向外側への移動に伴う流れの局所的な特徴的寸法（Ｄ）の一定の変化、を示す。Ｄは、流れが半径方向に出るにつれ、ノズル面の局所水力直径（Ｄｈ）の変化の関数として変化し、下式のように定義される。
【数２】
0005155031.tif 000003
ここでＤxは、半径方向外側に移動する流れの局所直径であり、Ｈは測定されたノズルのギャップ高さである。
【００３５】
[0045]  曲線４０２は、従来の層流ノズル（例えば約１０００ｓｃｃｍの流量）の圧力低下を示す。曲線４０２のレイノルズ数は約２３０と約６２５の間である。曲線４０４は、低い方の流量（例えば約６８００ｓｃｃｍの流量）における遷移流ノズルの圧力低下を示す。曲線４０４の平均レイノルズ数は約２９００である。曲線４０６は、高い方の流量（例えば約９０００ｓｃｃｍの流量）における遷移流ノズルの圧力低下を示す。曲線４０６の平均レイノルズ数は約３９００である。図示のように、ノズル面での圧力低下は、曲線３０６が最大である。圧力低下がより大きいので、高い方の流量で作動する遷移流ノズルの方が、低い方の流量で作動する遷移流ノズルよりも小さい圧力変化に対する感度が高く、後者はそれでも、層流ノズルよりも圧力変化に対する感度が高い。
【００３６】
[0046]  図５は、ノズルの作動に従って遷移流摩擦係数相と層流摩擦係数相で入手可能な理論的利得量を示す。本明細書で使用する利得は、１３５ミクロンで計算したギャップ高さに対して任意の圧力低下曲線の局所的勾配を求めることによって割り出される。横軸には、ノズルギャップ高さをミクロン単位で示し、縦軸には、ノズル面での全圧力低下をｋＰａ単位で示す。曲線５０２は、約１０００ｓｃｃｍという流量で作動する層流ノズルの理論的利得を示す。曲線５０２の利得は約０．０２４ｋＰａ／ミクロンである。曲線５０４は、約１０−6の相対粗さを有し（例えば滑らかな表面）、約４９００ｓｃｃｍの比較的低い流量で作動する遷移流ノズルの理論的利得を示す。曲線５０４の利得は約０．５１２ｋＰａ／ミクロンである。曲線５０６は、約１０-6の相対粗さを有し、約６８００ｓｃｃｍという比較的高い流量で作動する遷移流ノズルの理論的利得を示す。曲線５０６の利得は約０．９８３ｋＰａ／ミクロンである。曲線５０８は、約０．０５の相対粗さを有し、約９０００ｓｃｃｍという比較的高い流量で作動する遷移流ノズルの理論的利得を示す。曲線５０８の利得は約１．７５９ｋＰａ／ミクロンである。
【００３７】
[0047]  図５に示すように、層流流量（例えば曲線５０２）から低い遷移流流量システム（例えば曲線５０４）へと遷移することによって、約０．０２４ｋＰａ／ミクロンから約０．５１２ｋＰａ／ミクロンという理論的な利得の改善（約２１×の利得）を達成することができる。さらに、層流流量（例えば曲線５０２）から高い遷移流流量（例えばそれぞれ曲線５０６及び曲線５０８）へと遷移することによって、約０．５１２ｋＰａ／ミクロンから約０．９８３ｋＰａ／ミクロン（約４１×の全体的利得）、さらには約１．７５９ｋＰａ／ミクロンへ（約７３×の全体的利得）という理論的なノズル利得の改善を達成することができる。
【００３８】
[0048]  図５は、絶対利得に関して利得を示しているが、常に層流であるかのように流れを理論的に処理することによって、相対利得も割り出すことができる。この相対利得を割り出すには、遷移領域が存在するという実際の物理的性質を考慮せずに、層流補正を使用して、ノズルの流量増加と、それに対応する圧力低下という孤立した事例を厳密に評価する。このような結果は、（約１０００ｓｃｃｍと比較して）約６８００ｓｃｃｍの流量で流し、図３の曲線３０２の元の層流摩擦係数を使用して、約２９００のレイノルズ数に外挿することによって、厳密な相対利得を示す。これは、約０．８２ｋＰａ／ミクロンという相対利得を生成する（約３９×の利得）。この相対利得の結果を、図５に示す約０．９８３という絶対利得の結果と比較すると、図３の曲線３０４の遷移流相へと移動することによって、約２０％のさらなる利得の増加を獲得できることが明白である。滑らかな表面の相対粗さである約１０-6より大きい相対粗さを有するノズル面によってトリガした場合に、流れの中では自然にこのような流れ場の遷移に従う。
【００３９】
[0049]  絶対利得に関して、流れを約７倍（１００ｓｃｃｍから６８００ｓｃｃｍへと）増加させると、約５０００のレイノルズ数値まで、約４１倍以上のノズル利得の大きい改善がある。流量が増加すると、遷移領域で作動することができ、ノズルの圧力低下が約５ｋＰａから約２２５ｋＰａ以上へと増加する。圧力低下が増加するだけでなく、このような損は計器の高い感度の必要性も低下させる。というのは、利得が増加すると、その結果のギャップ高さを測定するために使用する圧力変換器の感度を低下させることができるからである。
【００４０】
ノズル面の粗さ
[0050]  以前のガスゲージは、約２００〜３００のレイノルズ数を有する層流流量で作動していた。このようなレイノルズ数及び約２１００のレイノルズ数までは、ノズル面の表面相対粗さ（ＲＲ）は事実上、圧力低下に影響を及ぼさない。層来粗さとは、式２に示すように、ノズル幾何形状の水力直径とギャップ高さとの組合せに対する再現可能な表面凹凸の比率として定義される。しかし、遷移流相のレイノルズ数（２１００＜Ｒｅ＜５１００）では、ゲージの利得と相関するノズルの摩擦係数が、ノズル面の表面粗さに応じて変化し得る。図３の曲線３０８に示すように、ノズル面の粗さの増加は、達成可能な最大摩擦係数を約０．１の値まで増加させるのに役立つ。遷移流領域では、達成可能な摩擦係数が、上をガスが流れるノズル面の粗さに依存することが実験で示されている。滑らかなノズル面の場合は、約３０００のレイノルズ数で約０．０４５の最大摩擦係数が達成可能である。非常に粗い表面（ＲＲ＞０．０５）を有するノズルでは、約４２００から約５１００のレイノルズ数で約０．０８から約０．０１の最大摩擦係数（ｆTRANSITIONAL）が達成可能である。その結果、ノズル面の表面（（Ｌ／Ｄ）BAR）上の任意のギャップ高さ（Ｈ）での圧力低下（ΔＰ）も、以下のようにレイノルズ数の増加に比例して増加する。
【数３】
0005155031.tif 000004
ここでＤｏはノズル面表面の外径、Ｄｉはノズル面表面の内径である。
【００４１】
[0051]  図５は、上述したように遷移流相で得られるノズルの理論的利得を示す。曲線５０６は、比較的高い流量における遷移流ノズルの利得を示し、利得は比較的滑らかな表面を有するノズルに基づく。曲線５０８は、ノズルが比較的高い流量で作動した場合に、粗くした表面を有する遷移流ノズルの理論的利得を示す。
【００４２】
[0052]  これで、従来の層流ノズルと比較すると、ノズル面の表面を粗くし、遷移流領域でゲージを作動させることによって、ガスゲージの性能を向上させることができる。
【００４３】
[0053]  ノズル面は、これに特定の表面凹凸を加えることによって粗くすることができる。ナノメートル範囲で高さを測定するには、表面の凹凸は例えばナノ又はマイクロ規模の凹凸でよい。ノズル表面を粗くするには様々な方法がある。
【００４４】
[0054]  １つの例では、ノズル面を、図３などの流れ抵抗に関するムーディのプロットによって規定されたレベルと同等の様々な「砂粗さ」までショットブラストすることができる。別の例では、粗い酸化皮膜をノズル面に火炎溶射することができる。
【００４５】
[0055]  さらに別の例では、ノズル面を様々な形状に機械加工することができる。１つの実施形態では、円形の同心円リングをノズル面に機械加工するか、ノズル面から突出させることができる。図６は、例示的ノズル面６０２の断面である。図６に示すように、リング６０４は、例えば鋸歯形切り目でよい。ノズル面６０２上でのガス６０６の流れは、遷移流領域における摩擦係数及び流量の増加のせいで妨げられる。図７Ａは、多くの小さい半球形窪み７０４をノズル７０２に又はノズル面７０２から機械加工した別の実施形態を示す。ノズル面７０２上に流路が発達するのを防止するために、ノズル面７０２における窪み７０４の配置構成を互い違いにすることができる。
【００４６】
[0056]  さらなる例では、例えばシリコンエッチング技術を使用して、数十の互い違いのピンをノズル面に導入し、シリコンチップ上にピンの列を生成することができ、次にこれをノズルの面にエポキシ樹脂で接着する。ピンは、例えば約１０ミクロンの直径及び例えば約１０ミクロンの高さを有してよい。
【００４７】
[0057]  ノズル表面の粗さを増大させると、ノズルが、粗い表面と相互作用する空気から偽のフィードバック又はプッシュバックを受ける可能性も高くなる。このような偽のフィードバックは、例えばノズル面内の高い粗さから開始して、ノズルからの半径方向距離が増加するにつれて、粗さのレベルを遷移させることによって最小限に抑えることができる。別の例では、粗くした測定ノズル表面からの偽のフィードバックの効果を相殺するように、基準ノズルも粗くすることができる。
【００４８】
[0058]  温度のノズルへの効果を軽減するために、ノズルを熱膨張に抗する材料から作成することができる。例示的な材料は、インバールなどの鉄とニッケルの複合金属である。
【００４９】
[0059]  図９は、本発明の実施形態によりノズルから対象物までの距離を感知する方法９００のフローチャートである。方法９００は、例えばガスゲージとともに使用することができる。ステップ９０２で、ノズルの測定範囲内に対象物を設ける。対象物は、例えば基板又は半導体ウェーハの表面でよいが、それに制限されない。対象物に面するノズルの表面は、上述したように粗くしてよい。
【００５０】
[0060]  ステップ９０４で、ノズルと対象物の間の空間にガスを供給する。ガスは例えば空気でよいが、それに制限されない。ガスは、層流と乱流の間の遷移領域におけるレイノルズ数の流れに対応する流量で、空間に供給される。
【００５１】
[0061]  任意選択のステップ９０６で、ガスの供給によって発生したノイズを減衰する。ノイズは、例えば以下で説明するように減衰することができる。
【００５２】
[0062]  ステップ９０８で、ノズル面での圧力低下を感知する。圧力低下は、基板表面までの距離を示す。
【００５３】
ノイズの減衰
[0063]  既存のシステムに使用されるノズルギャップのレイノルズ数は約２００〜３００であり、名目ノズルギャップ高さは約１３５ミクロンである。このようなシステムは、約１０００ｓｃｃｍの空気流を必要とする。約２１００より高いレイノルズ数での動作は、少なくとも約３４００ｓｃｃｍの流量を必要とする。ノズルをこのような高い流量で作動させると、利得が理論的に上昇するが、このような高い流量によって発生したノイズは、ノイズを軽減しない限り、ノズルの感度を妨害することがある。
【００５４】
[0064]  このノイズは、ノズル面の表面凹凸の消音効果によって減衰することができる。ノズルの圧力低下は、任意の遷移流れ場にてノズルの面粗さの増大とともに増加する。というのは、局所的な境界層の堆積が、ノズルののど部から発する音響ノイズを減衰するよう作用する局所的な再循環ゾーンを形成するからである。したがって、ノズルから発する音響ノイズは、流量の増加とともに軽減する。図３の曲線３０４の摩擦係数の相関における正の相関は、ノズルの半径流からの圧力エネルギが、ｍ2＝１．３９という指数関数的比率と、増加した粗さと相関する係数との和で積極的に減衰されていることを示す。これは、表面粗さが圧力損及びその結果のノイズ減衰にとって重要ではない全ての層流の摩擦係数の場合に存在する負の勾配の関係とは正反対である。
【００５５】
[0065]  （層流の場合のような）負の摩擦係数の勾配は、レイノルズ数の増加とともに圧力エネルギを減少させることを考慮すると、層流の流量で作動するノズルは、遷移流の流量で作動するノズルと比較してノイズの軽減が少ない。したがって、以前の層流ノズルは、流量が増加するとノイズ軽減が不良であったが、遷移流ノズルは反対であり、粗くした流れの表面を導入することにより、ノイズを積極的に軽減する。
【００５６】
[0066]  ノイズを減衰するために、緩衝器が成功裏に使用されている。これらのシステムは、流れの乱流及びそれに対応するノイズを減少させる不規則な流路の迷路に、流れを強制的に通す。緩衝器は、例えば図１の緩衝器１２０及び１２１のようにエアゲージに使用されてきた。緩衝器は、ゲージの流れが１０００ｓｃｃｍを超える場合、ノイズ減衰器としても非常に有用である。増加した流量でのノズル作動中に、性能利得が向上した遷移流相を達成するために、戦略的な流れの曲がり角及び分流部でのこの使用を増加させることができる。
【００５７】
[0067]  追加的又は代替的に、音響圧力パルスからのノズルの減衰で消音器として作用するために、ヘルムホルツ効果も使用することができる。戦略的に配置されたヘルムホルツ吸音キャビティ（本明細書ではヘルムホルツ減衰器と呼ぶ）を使用して、望ましくないノズルのノイズを減衰することができる。図８は、ヘルムホルツ減衰器８０２及び８０４を有するガスゲージノズル８００の断面を示す。
【００５８】
[0068]  図８に示すように、ヘルムホルツ減衰器は、空気流と平行に配置され、望ましくない音響周波数を吸収するように特に設計された別個の局所的キャビティでよい。減衰器８０２又は８０４などのヘルムホルツ減衰器は基本的に、圧力脈動（つまりノイズ）が流れの方向に対して直角に膨張できるようにする複数の孔を含む偽の作業壁によって覆われたキャビティである。これで、圧力脈動は、脈動を吸収するキャビティ中で捕捉される。
【００５９】
[0069]  図８は、ヘルムホルツ減衰器を導入することにより、圧力脈動のノイズを劇的に減衰することができるノズル８００の２つの領域を示す。減衰器８０２は、ノズルの胴の内側に配置され、上流で発生したノイズは、ノイズがノズルののど領域から逃げる前に、ここで吸収するか消音する。減衰器８０４は、ギャップ８０６を通過してノズル８００から逃げるガスからのノイズを減少させるために、ノズルの面の内側に配置される。減衰器８０２及び８０４がガスゲージの圧力測定と干渉しないように、減衰器８０２及び８０４は、ノズル内の摩擦係数に影響しない位置に配置される。さらに、減衰器８０４の表面（つまり減衰器８０４の穴と穴の間の区域）は、ノズル面の残りの部分に従って粗くすることができる。矢印８０８及び８１０は、外向きの方向でノズルを出るガスの路を示す。
【００６０】
[0070]  当業者によく知られているように、ヘルムホルツ減衰器は、ヘルムホルツ減衰器の特定の幾何学的穴のサイズ、幾何学的穴の間隔及びキャビティの寸法を選択することによって、特定の音響周波数に合わせて調整することができる。ヘルムホルツ減衰器の特性（例えば穴のサイズ、穴の間隔、キャビティの幅など）は、軽減すべきノイズの周波数によって決定される。
【００６１】
[0071]  温度変動によって引き起こされたノイズ又はシステムの電子機器によって引き起こされたノイズなど、フィードバックループ内での論理的補正にとって有用なノイズもあり、これをシステムから除去してはならない。空気流の増加によって引き起こされたノイズなどの他のノイズは、除去する必要がある。除去すべきノイズの周波数帯が割り出されたら、その周波数帯のノイズを除去するように、ヘルムホルツ減衰器の板にある穴の直径、穴の間隔及びキャビティの深さが設計される。複数の周波数帯を軽減すべき場合は、複数のヘルムホルツ減衰器を使用することができる。あるいは、複数の区画を有する単一のヘルムホルツ共鳴器を使用することができ、各区画は、所与の周波数帯に合わせて最適化される。
【００６２】
結論
[0072]  以上では本発明の様々な実施形態について説明してきたが、これは例示によって提示されているのであり、制限的ではないことを理解されたい。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細を様々に変更できることが、当業者には明白である。
【００６３】
[0073]  本発明の例示的実施形態について提示してきた。本発明はこれらの例に制限されない。これらの例は本明細書では、例示のために提示されており、制限するものではない。本明細書に含まれる教示に基づき、当業者には代替物（本明細書の説明の同等物、延長、変形、派生などを含む）が明白になる。このような代替物は本発明の範囲及び精神に入る。したがって、本発明は上述の例示的実施形態のいずれにも制限されず、請求の範囲及びその同等物に従ってのみ規定されるものとする。
【００６４】
[0001]  さらに、要約書の目的は、米国特許商標局及び一般の人々、特に特許又は法律用語又は語法に精通していない当技術分野の科学者、技術者及び開業者が、ざっと調べただけで本出願の技術的開示の本質を特定できるようにすることである。要約書は本発明の範囲をいかなる意味でも制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】[0012]  ガスゲージ近接覚センサを示した機能図である。
【図２】[0013]  ガス近接覚センサのノズルを示した断面図である。
【図３】[0014]  ４つの流れの相、つまり層流、臨界流れ、遷移流、及び乱流と、各相に対する表面「相対粗さ」の効果とを識別するレイノルズ数対摩擦係数を示したグラフである。
【図４】[0015]  様々なガス流量についてノズル面でのレイノルズ数の半径方向の変動を示した図である。
【図５】[0016]  本発明の実施形態によるガスゲージノズルで獲得可能な利得（ギャップ高さの変化当たりの相対圧力低下）の理論的量を示した図である。
【図６】[0017]  本発明の実施形態による鋸歯形切り目を有するノズルを示した断面図である。
【図７Ａ】[0018]  本発明の実施形態による半球形突起を有するノズルを示した断面図である。
【図７Ｂ】[0019]  本発明の実施形態による半球形窪みを有するノズルを示した表面図である。
【図８】[0020]  本発明の実施形態によるヘルムホルツ減衰器を有するノズルを示した図である。
【図９】[0021]  本発明の実施形態により対象物への距離を感知する方法を示したフローチャートである。
【図１】
0005155031.tif 000005
【図２】
0005155031.tif 000006
【図３】
0005155031.tif 000007
【図４】
0005155031.tif 000008
【図５】
0005155031.tif 000009
【図６】
0005155031.tif 000010
【図７Ａ】
0005155031.tif 000011
【図７Ｂ】
0005155031.tif 000012
【図８】
0005155031.tif 000013
【図９】
0005155031.tif 000014